El ruido en la astrofotografía

¿Ruido en la astrofotografía? Este artículo analiza los motivos.

El ruido es uno de los mayores retos a los que se enfrentan los astrofotógrafos. A pesar de las técnicas más modernas e incluso de la inteligencia artificial, sigue siendo un factor de interferencia persistente que afecta a la calidad de la imagen. Pero, ¿qué hay detrás de este fenómeno? ¿Por qué se produce y qué tipos existen? En este artículo analizamos los tipos y las causas del ruido y te ofrecemos consejos prácticos para que puedas optimizar tus astrofotografías.

¿Qué es el ruido?

El ruido se refiere a las variaciones aleatorias de la señal que no contienen información útil y que reducen la calidad de la imagen. Se manifiesta como fluctuaciones aparentemente aleatorias en el brillo o el color que no forman parte del objeto fotografiado. La relación señal-ruido (SNR) es determinante para la calidad de la imagen y se calcula de la siguiente manera:

SNR = A_signal / σ_noise

Donde A_signal representa la amplitud de la señal captada por el sensor, es decir, un valor medio de la señal, mientras que σ_noise se refiere al temido ruido. Una relación señal-ruido (SNR) de 1 significa que la señal no se puede distinguir del ruido; se considera «buena» una relación SNR a partir de 10. Esta información resulta especialmente útil a la hora de seleccionar estrellas guía. El software moderno calcula automáticamente las «mejores» estrellas del campo basándose en el FWHM (ancho a media altura del perfil estelar) y en la relación señal-ruido (SNR).

Tipos de ruido

En la astrofotografía, hay tres tipos de ruido que son especialmente relevantes:

Ruido oscuro (Dark Noise)

El ruido de fondo es una señal de interferencia que se produce debido a las fluctuaciones térmicas en el sensor. Estas fluctuaciones «activan» el sensor y generan un ruido no deseado que no se puede controlar. A la hora de hacer fotografías, hay que tener en cuenta el tiempo de exposición, ya que cuanto más larga sea la exposición, más fluctuaciones térmicas capta el sensor. El ruido de fondo depende en gran medida de la temperatura, por lo que hoy en día existen sofisticados sensores refrigerados que pueden reducir este ruido al mínimo.

Además, el ruido oscuro puede reducirse aún más mediante la captura de los denominados «fotogramas oscuros». Estos fotogramas oscuros deben capturarse en las mismas condiciones que los fotogramas de luz propiamente dichos, es decir, con el mismo tiempo de exposición, la misma ganancia/ISO y la misma temperatura.

Ruido electrónico

El ruido electrónico se debe a errores de lectura aleatorios del sensor y varía considerablemente de un sistema a otro. En los sensores CCD, a cada píxel se le asigna una desviación estándar cuadrática, lo que se denomina «ruido de lectura». El ruido electrónico cobra especial relevancia cuando se fotografían objetos muy tenues, ya que puede superponerse a las señales de dichos objetos y afectarlas negativamente.

Ruido de disparo o ruido cuántico

El ruido de disparo, también denominado ruido cuántico, es posiblemente el más crítico de los tres tipos de ruido. Se debe a la naturaleza discreta de la luz, que está compuesta por fotones. El número de fotones detectados durante un tiempo de integración «t» sigue una distribución estadística de los recuentos de fotones.

Para ilustrarlo, imagina un día muy lluvioso en el que colocamos mil cubos del mismo tamaño en un gran jardín para recoger el agua de lluvia. Estos cubos están muy juntos, de forma similar a los píxeles de un sensor astronómico. Contamos cuántas gotas de lluvia caen en cada cubo durante un periodo de tiempo determinado. El número de gotas en cada cubo variará; en un cubo podrían ser 100 gotas, en otro 90 o quizá 110.

Cuanto más tiempo permanezcan los cubos al aire libre, más agua acumularán (¡siempre que no se desborden!). Lo mismo ocurre con la luz: los fotones no inciden de manera uniforme sobre cada píxel del sensor, y el recuento de fotones sigue una distribución estadística. En el caso de la luz monocromática (como la de un láser), se trata normalmente de una distribución de Poisson.

Teniendo en cuenta la naturaleza cuántica de la señal, el número de recuentos es:

Recuentos = flujo de fotones × QE × t

donde «QE» es la eficiencia cuántica del sensor, es decir, el porcentaje de luz que se convierte en señal, y «t» es el tiempo de integración. De ello se deduce la relación señal-ruido:

SNR ∝ √t

Esta fórmula deja claro que, cuanto mayor sea el tiempo de integración, mayor será la relación señal-ruido y menor será el ruido. Aunque se trata de una simplificación (ya que las señales astrofísicas pueden presentar distribuciones más complejas), la idea fundamental sigue siendo la misma: ¿quieres que haya menos ruido en tu fotografía? Entonces, alarga el tiempo de integración.

La captura de cientos de fotogramas oscuros o imágenes de sesgo solo puede reducir el ruido de forma limitada, ya que el ruido percibido se debe principalmente a la naturaleza cuántica de la luz. Para obtener una fotografía del cielo profundo con poco ruido, debe prolongar el tiempo de integración tanto como sea posible, en función de sus necesidades. Por ejemplo, si ha integrado durante 2 horas un objeto, 10 minutos más o incluso una hora adicional de integración no supondrán una mejora significativa. A modo de primera aproximación, debe duplicar como mínimo el tiempo de integración para lograr mejoras significativas. Esto significa que, con una integración inicial de 2 horas, debería ampliarla a al menos 4 horas para conseguir una mejora notable de la calidad.

Cuando los tiempos de integración son de 20 horas o más, esto puede suponer un problema, pero gracias a la tecnología moderna existen alternativas. Los telescopios «rápidos», como el extremadamente rápido telescopio de Omegon, reducen a la mitad el tiempo de integración necesario.

La apertura de f/2,8 permite tiempos de exposición más cortos (aunque eso no significa que se capte más luz; eso viene determinado por el diámetro de la apertura). Es como si, al cambiar de cubo, lloviera «mágicamente» con más intensidad.

Resumen

Existen diversas fuentes de ruido, básicamente tres tipos principales: ruido de fondo, ruido electrónico y ruido cuántico. El ruido cuántico se reduce a medida que aumenta el tiempo de integración y, a diferencia de los otros dos, no depende de factores intrínsecos del instrumento. Por lo tanto, la regla general es: mayor integración = mejores fotos.

¡Que tengáis noches despejadas y mucho éxito con la astrofotografía!

Emanuele es astrofotógrafo y estudia Física en la Universidad de Palermo.

Desde niño Emanuele siente auténtica pasión por la astronomía. Ha acabado convirtiéndose en un talentoso astrofotógrafo cuyas fotos son muy aclamadas y se publican en Internet y en publicaciones especializadas. Sus conocimientos y su pasión garantizan un excelente asesoramiento sobre productos especializados para astrónomos aficionados.

Idiomas: italiano, inglés